CN111289953B

CN111289953B - 一种基于模糊矩阵更新的天基雷达距离/速度解模糊方法

Info

Publication number: CN111289953B
Application number: CN202010212155.7A
Authority: CN
Inventors: 段崇棣; 卜祥元; 王伟伟; 李渝
Original assignee: Beijing Institute of Technology BIT; Xian Institute of Space Radio Technology
Current assignee: Beijing Institute of Technology BIT; Xian Institute of Space Radio Technology
Priority date: 2020-01-14
Filing date: 2020-03-24
Publication date: 2022-04-26
Anticipated expiration: 2040-03-24
Also published as: CN111289953A

Abstract

本发明公开的一种基于模糊矩阵更新的天基雷达距离/速度解模糊方法，属于雷达技术领域。本发明采用模糊矩阵代替传统的距离‑速度二维分离解模糊准则，以矩阵扩充、元素排序、幅度方差排序和元素更新的方式，能够规避分数阶误差的问题，同时能够解决多目标配对出错和噪声配对引起的虚影问题。本发明在多重PRF观测下，实现天基雷达目标探测多目标距离‑速度解模糊的同时，能够抑制虚影的出现。本发明具有运算速度快、实时性好、抗噪能力强的特点，且能应对多目标或导弹突防的情况，具备良好的工程应用价值。本发明尤其适用于超高速目标探测多目标距离‑速度解模糊。

Description

一种基于模糊矩阵更新的天基雷达距离/速度解模糊方法

技术领域

本发明属于雷达技术领域，尤其涉及天基雷达超高速目标探测距离速度解模糊领域。

背景技术

天基雷达不受国界限制，且可以极大克服地球曲率的影响，具有作用距离远、覆盖范围天基雷达作用距离远，且探测目标速度快，因此不可避免存在目标探测的距离和速度模糊问题，从而对目标的定位和持续跟踪造成很大的影响。

采用多重频组的设计是目前主要的目标速度距离解模糊方法。对于选定的脉冲重复频率(Pulse Repetition Frequency,PRF)组合，比较成熟的算法主要包括中国余数定理法、一维集法、余差查表法、多假设方法等。中国余数定理法的本质是解同余方程组，该方法虽然计算量小，但是受限于整数约束，对噪声极其敏感，一个单元的测量偏差将导致目标真实距离出现非常大的解算误差。一维集算法排列出各PRF测得的所有可能的目标位置，寻找最可能的重合点，这种方法效果虽好但是算法复杂度高运算量大。余差查表法是在保证全局可检测的前提下利用各PRF相对于基准PRF在各个距离单元上的余数差值制成查找表，对实际目标模糊距离处理后在查找表中搜索得时能够快速匹配出目标的真实距离，但随着目标的测距范围增大其时间复杂度和空间复杂度都会迅速增加，且余差查表法对每个驻留时间内检测到目标的帧数有较高的要求。多假设方法建立在滤波的基础上，除了模糊距离信息以外还需要速度信息，需要的收敛时间较长，且在脉冲间隔数发生变化时会出现解距离模糊错误的情况。基于Lattice矩阵的解模糊方法将距离解模糊问题转化为Lattice矩阵求解问题，可以同时满足时间效率和求解精度的要求，但是在低信噪比多目标条件下，会出现大量虚影点。以上几种算法各有优点和不足，适合不同的解模糊情况。

发明内容

本发明公开的一种基于模糊矩阵更新的天基雷达距离/速度解模糊方法要解决的技术问题是：在多重PRF观测下，实现天基雷达目标探测多目标距离-速度解模糊的同时，能够抑制虚影的出现。本发明尤其适用于超高速目标探测多目标距离-速度解模糊。

本发明的目的是通过下述技术方案实现的：

本发明公开的一种基于模糊矩阵更新的天基雷达距离/速度解模糊方法，包括如下步骤：

步骤1：根据目标距离/多普勒最大模糊次数及其分辨率指标，建立二维初始化全零模糊矩阵T。

根据目标最大距离模糊次数N_ra、目标多普勒最大模糊次数N_fa、系统距离分辨率N_r及多普勒分辨率N_fd具体参数，建立二维初始化全零模糊矩阵T，维数表示为(N_raN_r)×(N_faN_fd)。

步骤2：通过对步骤1的初始化全零模糊矩阵T进行循环填充，构建多目标二维模糊矩阵。

定义第m个PRF对应的可视距离内共有P_m个目标，为了进行后续解模糊处理，进行如下式所述的模糊矩阵循环填充。循环操作将多个PRF解模糊后目标对应相同模糊矩阵位置的矩阵元素加1，用于后续距离速度二维解模糊。

T(R_m,i,V_m.j)＝T(R_m,i,V_m.j)+1；

其中下标i和j分别为模糊矩阵T的第i行、第j列的元素索引，模糊矩阵T的行和列分别表示距离和速度信息。

对于M组PRF测得的模糊距离r_m,i，所有可能的真实距离如下：

R_m,i＝k_mR_um+r_m,i

k_m∈{0,1,...,M_rm}

其中M_rm为第m组PRF对应的最大距离模糊次数，如下式所示：

其中R_swath为观测场景距离向的幅宽，R_um为第m个PRF对应的最大无模糊距离。

对于M组PRF测得的模糊速度v_m,j，所有可能的真实速度如下：

其中M_fm为第m组PRF对应的最大速度模糊次数，如下式所示：

其中

v_rel-max是天基平台和目标之间的最大相对速度，λ是发射信号的波长。

步骤3：利用多重频解模糊，将步骤2更新后的模糊矩阵值从大到小排序，若累计值相同，则统计每个累计值对应的目标幅度方差，方差最小累计值排序靠前。

利用M个重频解模糊，对二维模糊矩阵T累计值从大到小排序，若累计值相同，则统计每个累计值对应的目标幅度方差D_j，方差最小累计值排序靠前。其中方差D_j表示如下式：

其中A_j,i是模糊矩阵T中第j个相同元素位置的第i个重频检测到目标的幅度，

是A_j,i的均值，如下式所示：

其中N为T矩阵中第j个元素位置处的目标累计出现总数。

步骤4：当多重频求解的目标距离不在观测区域距离范围内，或求解的目标速度小于预设速度经验阈值，则解模糊失败，返回步骤3继续解模糊；当解模糊成功转步骤5。

定义步骤4中速度经验阈值为最小可检测速度，其值为MDV＝2V×λ/D，其中V为平台速度，D为天线方位向长度。

步骤5：对于成功解模糊的目标，将二维模糊矩阵T中该目标对应的所有可视和模糊距离/速度元素的累计值减1，直到二维模糊矩阵T中无大于等于Thres的元素，进入步骤6，否则返回步骤3继续进行解模糊操作。

步骤5中Thres值根据多重频判别准则决定，作为优选，在4重频组解模糊中，Thres为2。

步骤6：通过步骤2至步骤5的循环迭代解模糊，从模糊矩阵T中得到一系列真实目标实际距离和速度对应的索引号，再根据i和j的索引号，查找R_m,i和V_m,j获得目标真实的速度和距离。

步骤7：通过以上步骤2至步骤6获得的目标真实距离和速度，实现天基雷达对目标的高精度定位及跟踪。

有益效果：

相比中国余数定理法、1DC等方法，本发明公开的一种基于模糊矩阵更新的天基雷达距离/速度解模糊方法，采用模糊矩阵代替传统的距离-速度二维分离解模糊准则，以矩阵扩充、元素排序、幅度方差排序和元素更新的方式，能够规避分数阶误差的问题，同时能够解决多目标配对出错和噪声配对引起的虚影问题。本发明具有运算速度快、实时性好、抗噪能力强的特点，且能应对多目标或导弹突防的情况，具备良好的工程应用价值。

附图说明

图1本发明的基于模糊矩阵更新的天基雷达距离/速度解模糊方法流程图。

具体实施方式

为了更好的说明本发明的目的和优点，下面结合附图和实例对发明内容做进一步说明。

实施例1：

本实施例的使用场景为：在感兴趣的两维观测场景内有4个目标，其对应的距离和多普勒位置如表1所示。在两组不同的PRF下，目标的距离和多普勒位置信息不同。

表1.在两组PRF下的目标距离和多普勒位置

目标	1	2	3	4
					距离索引1	62	691	726	1527
多普勒索引1	119	1174	1741	995
					距离索引2	305	1045	654	1067
多普勒索引2	3	1531	1553	1205

用两组不同的PRF组合验证所提方法的有效性。第一组PRF的频率分别为25200Hz,25300Hz,24500Hz和24750Hz，第二组PRF在第一组的PRF基础上增加一个频率为25000Hz的重频。具体解模糊实现步骤如下：

如图1所示，本实施例公开的一种基于模糊矩阵更新的天基雷达距离/速度解模糊方法，具体实现步骤如下：

根据目标最大距离模糊次数N_ra＝10、目标多普勒最大模糊次数N_fa＝5、系统距离分辨率N_r及多普勒分辨率N_fd具体参数，所述N_r和N_fd分别取值为120和250，建立二维初始化全零模糊矩阵T，维数表示为(N_raN_r)×(N_faN_fd)。

第m个PRF(一组由4个不同的PRF组合而成)对应的可视距离内共有P_m个目标，示例中P_m的具体值与杂波抑制和噪声有关，示例中该值≤50；为了进行后续解模糊处理，进行如下式所述的模糊矩阵填充循环。循环操作将多个PRF解模糊矩阵目标对应相同模糊位置的元素加1，用于后续距离速度二维解模糊。

T(R_m,i,V_m.j)＝T(R_m,i,V_m.j)+1；

步骤3：利用M重频解模糊准则，示例中采用两种重频组合，分别使用2/4检测准则和3/5检测准则，对二维矩阵T累计值从大到小排序，若累计值相同，则统计每个累计值对应的目标幅度方差D_j，方差最小累计值排序靠前。

步骤4：当多重频求解的目标距离不在观测区域距离范围内，或求解的目标速度小于预设速度经验阈值MDV/4，则解模糊失败，返回步骤3继续解模糊；当解模糊成功转步骤5。

目标最小可检测速度一般表示为MDV＝2V×λ/D，其中V为平台速度，示例中设置为7600m/s，λ为信号波长，示例中系统工作在L波段，λ＝0.23m，D为天线方位向长度，示例中D＝40m。

步骤5：对于成功解模糊的目标，将二维模糊矩阵T中该目标对应的所有可视和模糊距离/速度元素的累计值减1，直到二维模糊矩阵T中无大于等于Thres的元素(Thres值根据多重频判别准则决定，在4重频组解模糊中，Thres为2)，进入步骤6，否则返回步骤3继续进行解模糊操作。

步骤7：通过以上步骤获得的目标真实距离和速度，实现天基雷达后续目标的高精度定位及跟踪。

以上所述的具体描述，对发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施例而已，并不用于限定本发明的保护范围，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims

1.一种基于模糊矩阵更新的天基雷达距离/速度解模糊方法，其特征在于：包括如下步骤，

步骤1：根据目标距离/多普勒最大模糊次数及其分辨率指标，建立二维初始化全零模糊矩阵T；

步骤1实现方法为，

根据目标最大距离模糊次数N_ra、目标多普勒最大模糊次数N_fa、系统距离分辨率N_r及多普勒分辨率N_fd具体参数，建立二维初始化全零模糊矩阵T，维数表示为(N_raN_r)×(N_faN_fd)；

步骤2：通过对步骤1的初始化全零模糊矩阵T进行循环填充，构建多目标二维模糊矩阵；

步骤2实现方法为，

定义第m个PRF对应的可视距离内共有P_m个目标，为了进行后续解模糊处理，进行如式(1)所述的模糊矩阵循环填充；循环操作将多个PRF解模糊后目标对应相同模糊矩阵位置的矩阵元素加1，用于后续距离速度二维解模糊；

T(R_m,i,V_m.j)＝T(R_m,i,V_m.j)+1； (1)

其中下标i和j分别为模糊矩阵T的第i行、第j列的元素索引，模糊矩阵T的行和列分别表示距离和速度信息；

对于M组PRF测得的模糊距离r_m,i，所有可能的真实距离如下：

R_m,i＝k_mR_um+r_m,i (2)

k_m∈{0,1,...,M_rm}

其中M_rm为第m组PRF对应的最大距离模糊次数，如下式所示：

其中R_swath为观测场景距离向的幅宽，R_um为第m个PRF对应的最大无模糊距离；

对于M组PRF测得的模糊速度v_m,j，所有可能的真实速度如下：

其中M_fm为第m组PRF对应的最大速度模糊次数，如下式所示：

其中

v_rel-max是天基平台和目标之间的最大相对速度，λ是发射信号的波长；

步骤3：利用多重频解模糊，将步骤2更新后的模糊矩阵值从大到小排序，若累计值相同，则统计每个累计值对应的目标幅度方差，方差最小累计值排序靠前；

步骤3实现方法为，

利用M个重频解模糊，对二维模糊矩阵T累计值从大到小排序，若累计值相同，则统计每个累计值对应的目标幅度方差D_j，方差最小累计值排序靠前；其中方差D_j表示如下式：

是A_j,i的均值，如下式所示：

其中N为T矩阵中第j个元素位置处的目标累计出现总数；

步骤4：当多重频求解的目标距离不在观测区域距离范围内，或求解的目标速度小于预设速度经验阈值，则解模糊失败，返回步骤3继续解模糊；当解模糊成功转步骤5；

步骤5：对于成功解模糊的目标，将二维模糊矩阵T中该目标对应的所有可视和模糊距离/速度元素的累计值减1，直到二维模糊矩阵T中无大于等于Thres的元素，进入步骤6，否则返回步骤3继续进行解模糊操作；

2.如权利要求1所述的一种基于模糊矩阵更新的天基雷达距离/速度解模糊方法，其特征在于：还包括步骤7，通过步骤2至步骤6获得的目标真实距离和速度，实现天基雷达对目标的高精度定位及跟踪。

3.如权利要求1所述的一种基于模糊矩阵更新的天基雷达距离/速度解模糊方法，其特征在于：定义步骤4中速度经验阈值为最小可检测速度，其值为MDV＝2V×λ/D，其中V为平台速度，D为天线方位向长度。

4.如权利要求1所述的一种基于模糊矩阵更新的天基雷达距离/速度解模糊方法，其特征在于：步骤5中Thres值根据多重频判别准则决定，在4重频组解模糊中，Thres为2。